人眼視覺(jué)醫(yī)學(xué)處理措施論文
1、人眼視覺(jué)特性的研究
視覺(jué)是一個(gè)復(fù)雜的生理與心理過(guò)程。外界光線通過(guò)角膜、虹膜、晶狀體聚焦在視網(wǎng)膜上，刺激感光細(xì)胞發(fā)出神經(jīng)脈沖，經(jīng)視神經(jīng)傳遞到大腦產(chǎn)生視覺(jué)。下面，我們從兩方面對(duì)視覺(jué)特性進(jìn)行探討。
1.1人眼對(duì)灰度的分辨能力
眼睛分辨能力通常是指對(duì)亮度微小差別的判別能力，以人眼能分辨的最小亮度差ΔL與亮度L之比來(lái)表示。在不同的亮度下分辨能力也不同，給出了人眼能判別的亮度差與亮度的關(guān)系[2]。它是這樣得出的:在左右兩半視場(chǎng)上，讓左邊的視場(chǎng)亮度為L(zhǎng)，右邊的視場(chǎng)亮度為L(zhǎng)+ΔL，當(dāng)觀察出亮度有差別時(shí)，把ΔL記錄下來(lái)。由圖可見(jiàn)，亮度低于2cd/m2時(shí)，亮度越低則ΔL/L越大;亮度在2～10000cd/m2范圍內(nèi)時(shí)，ΔL/L大致保持不變，約等于0.02;亮度高于10000cd/m2時(shí)，分辨能力反而有所下降。記為BL=ΔLL=fc(L)(1)其中L為亮度，BL為最小相對(duì)亮度差。在計(jì)算機(jī)圖像處理中，圖像的色彩是用R，G，B值來(lái)表示的。對(duì)黑白圖像，R，G，B值均相等，稱為灰度值，每一個(gè)像素有一個(gè)灰度值。對(duì)于8位的灰度圖像，其灰度值范圍為0～255。為了研究人眼對(duì)灰度的分辨能力，我們首先要得到灰度與亮度之間的關(guān)系。
雖然一個(gè)像素有固定的灰度值，但在顯示器上所對(duì)應(yīng)的亮度值并不固定，和顯示器的具體情況有關(guān)。測(cè)試表明，一般顯示器所能顯示的亮度范圍大約在10-3～104cd/m2。在屏蔽掉背景光、顯示亮度范圍為4.84×10-2～1.167×102cd/m2(通常使用狀態(tài))時(shí)，測(cè)得灰度與亮度之間的關(guān)系如所示。記為L(zhǎng)i=fb(i)i=0，1，……，255(2)定義第i個(gè)灰度級(jí)與其相鄰灰度級(jí)之間的相對(duì)亮度差為Hi=H(i)=fb(i+1)-fb(i)fb(i)(3)灰度與相對(duì)亮度差之間的關(guān)系如所示�？梢�(jiàn)相鄰兩個(gè)灰度級(jí)之間的相對(duì)亮度差并不是恒定的，是隨灰度級(jí)的增加而減小，在低灰度級(jí)區(qū)域，下降的速度快;在高灰度級(jí)區(qū)域，下降的速度緩慢。給定灰度值，通過(guò)曲線可得到對(duì)應(yīng)亮度值L，根據(jù)亮度值并通過(guò)曲線可確定在該亮度下人眼所能分辨的最小相對(duì)亮度差BL，再由曲線可得到該灰度級(jí)的相對(duì)亮度差Hi。為了表示人眼在某一灰度附近所能分辨的灰度級(jí)差值，即人眼對(duì)灰度的分辨能力，定義N(i)=BLHi(4)式中N(i)是人眼在灰度為i時(shí)能分辨的最小灰度級(jí)差值，N值越小，表示人眼的分辨能力越強(qiáng)。
由(1)，(2)，(3)式可得N(i)=fc(Li)Hi=fc[fb(i)]H(i)(5)這樣，由已知灰度值，通過(guò)fb，fc，H(i)可求出人眼在該灰度級(jí)附近所能分辨的灰度級(jí)差值N(i)，其曲線如中實(shí)線所示。應(yīng)當(dāng)指出，N的值是近似值，只能反映人眼對(duì)灰度的分辨能力隨灰度值變化的趨勢(shì)，并不適用于定量計(jì)算。具體原因如下:首先，曲線的測(cè)試與目標(biāo)視場(chǎng)、被測(cè)試者的視力有關(guān)，在國(guó)內(nèi)外不同研究者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行的測(cè)試中[3-5]，雖然曲線形狀一致，但具體數(shù)值不盡相同;其次，曲線與計(jì)算機(jī)屏幕的顯示特性、背景光的亮度、被測(cè)試者的情況有關(guān)。因此，為了將人眼對(duì)灰度的分辨能力定量化，需直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。我們?cè)谄聊涣炼确秶鸀?.0484～116.7cd/m2的條件下，將屏幕分為兩部分，各取不同的灰度值，記錄下被測(cè)試者所能分辨的最小灰度差值。
由于測(cè)試對(duì)像不止一個(gè)，其分辨的灰度級(jí)數(shù)也不一樣，我們?cè)跀?shù)據(jù)處理中取加權(quán)平均值，得到曲線如中的虛線所示。可以發(fā)現(xiàn)，中兩條曲線的形狀基本一致，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析互相印證，是可靠的。由可知，在圖像灰度很高或很低的情況下，人眼對(duì)灰度分辨力差;而在圖像灰度適中的情況下，人眼的分辨力強(qiáng)。在0級(jí)灰度附近，人眼剛可分辨出8個(gè)灰度級(jí)的差別(即可感到0級(jí)灰度和8級(jí)灰度的顏色差別，而對(duì)于0級(jí)與7級(jí)灰度則視為同一種顏色);在128級(jí)灰度附近，則可分辨出2個(gè)灰度級(jí)的顏色差別;在255級(jí)灰度附近，則可分辨出3個(gè)灰度級(jí)的顏色差別。根據(jù)人眼的這一視覺(jué)特性，可以對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理。在低灰度級(jí)和高灰度級(jí)區(qū)域，可將灰度級(jí)間隔(定義為一灰度級(jí)與其相鄰兩個(gè)灰度級(jí)距離之和的一半)拉伸，使人眼更好分辨。
在中等低灰度級(jí)區(qū)域，對(duì)灰度級(jí)間隔過(guò)大的圖像，可適當(dāng)?shù)貕嚎s灰度級(jí)間隔，將剩余灰度級(jí)數(shù)分配給低灰度級(jí)和高灰度級(jí)區(qū)域。在對(duì)人眼視覺(jué)特性的測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰度級(jí)差別大到一定程度時(shí)，人眼可以很容易地將其分辨出來(lái)，這時(shí)再加大灰度級(jí)間隔對(duì)于提高人眼的分辨能力意義不大，反而會(huì)壓縮其他灰度級(jí)的間隔，使圖像整體質(zhì)量下降。
1.2人眼對(duì)圖像結(jié)構(gòu)的敏感性
由人眼的視覺(jué)和人的心理特性可知，變化幅度較大，細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域容易引起人眼的注意，而變化平坦的區(qū)域則不容易注意。在人們對(duì)視覺(jué)的研究中[6-7]，進(jìn)行過(guò)以下實(shí)驗(yàn):將兩幅圖同時(shí)放在測(cè)試者的視野中，其中一幅有黑色線條，另一幅全部為白色。用儀器分別記錄下眼睛注視兩幅圖的時(shí)間，結(jié)果表明了人眼有70%的時(shí)間在注視帶線條的那一幅。這說(shuō)明變化劇烈的圖像更吸引人的注意，對(duì)于灰度圖像而言，人眼會(huì)將注意力集中在灰度值變化大的區(qū)域。根據(jù)人眼的這一視覺(jué)特性，一幅X光圖像可以分為背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)兩部分，成像在背景區(qū)的X射線未穿過(guò)人體，強(qiáng)度較高，成像板的曝光充分，所以該區(qū)域的灰度值低;而目標(biāo)區(qū)由于X射線穿過(guò)人體引起衰減，故灰度值較高。
圖像所含的信息主要位于目標(biāo)區(qū)，我們希望人眼將注意力集中在目標(biāo)區(qū)，這樣才能充分獲取所需的信息。因此，需調(diào)整灰度級(jí)的分布，減小背景區(qū)所占的灰度級(jí)間隔，增加目標(biāo)區(qū)所占的灰度級(jí)間隔，使目標(biāo)區(qū)的灰度值變化范圍較大，有利于表現(xiàn)圖像的細(xì)節(jié)，而背景區(qū)的變化平坦，這樣來(lái)充分突出目標(biāo)區(qū)以吸引人眼的注意。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，首先確定背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)。人眼可以識(shí)別背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)，但計(jì)算機(jī)很難將兩者準(zhǔn)確地分開(kāi)。對(duì)X光圖像進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的有關(guān)概念，再利用隸屬度函數(shù)來(lái)界定背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)。
2、人眼視覺(jué)特性模型的建立及應(yīng)用
在圖像處理中要對(duì)X光影像進(jìn)行灰度變換。灰度變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)圖像現(xiàn)有灰度級(jí)的重新分配，即灰度間隔的調(diào)整，圖像處理的目標(biāo)就是使灰度間隔的分布達(dá)到最好狀態(tài)。在對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化之后，建立人眼視覺(jué)特性模型并進(jìn)行以下處理:根據(jù)人眼的視覺(jué)分辨力曲線，定義分辨能力函數(shù)為Fr(i)=N(i)max[N(i)]i=0，1，……，255(6)為了劃分背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)，定義目標(biāo)區(qū)的隸屬度函數(shù)為Fd(i)=0k(i)1i∈[0，a]i∈[a，b]i∈[b，255](7)其中k(i)為單調(diào)遞增函數(shù)，且滿足條件:k(a)=0，k(b)=1�；叶戎翟赱0，a]范圍的像素屬于背景區(qū)，在[b，255]范圍的像素屬于目標(biāo)區(qū)，而在[a，b]范圍的像素?zé)o法準(zhǔn)確地確定，只能用模糊函數(shù)來(lái)表示。定義灰度級(jí)權(quán)函數(shù)Q(i)=Fr(i)?Fd(i)max[Fr(i)?Fd(i)](8)式中Q(i)為灰度級(jí)的權(quán)數(shù)。根據(jù)Q值，對(duì)相應(yīng)的灰度間隔進(jìn)行調(diào)整，Q值越大，分配到的灰度間隔也越大。依此構(gòu)造出灰度變換表，對(duì)圖像進(jìn)行變換。
3、處理結(jié)果
根據(jù)以上論述的原理和方法，對(duì)數(shù)字X光圖像進(jìn)行了處理，如所示。中，(a)為原始的X光圖像(顯示部位為頸錐);(b)為常規(guī)增強(qiáng)方法處理后的圖像;(c)為用本文方法處理得到的圖像。可見(jiàn)，(c)的視覺(jué)效果更好。在亮區(qū)，由于考慮到視覺(jué)分辨力低，拉伸了灰度級(jí)間隔，故(c)較(b)更有層次感;根據(jù)視覺(jué)的敏感性，對(duì)背景區(qū)進(jìn)行了灰度級(jí)間隔壓縮，突出了目標(biāo)區(qū)，所以(c)的輪廓更清晰�？偟膩�(lái)看，處理后的(c)更符合人眼的視覺(jué)特性，視覺(jué)效果也最好。結(jié)束語(yǔ)在人和外界交流的過(guò)程中，所有的圖像信息都要通過(guò)視覺(jué)來(lái)感知、獲取。因此，研究眼睛視覺(jué)特性，對(duì)圖像處理有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文探討了人眼的視覺(jué)分辨能力和敏感性，并應(yīng)用于數(shù)字化X光機(jī)的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)中，收到了良好的效果。
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